物联网MAC协议：无线传感器网络

在无线传感器网络中，MAC协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。

传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：

1）节省能量。传感器网络的节点一般是由干电池、纽扣电池等提供能量，而且电池能量通常难以进行补充，为了长时间保证传感器网络的有效工作，MAC协议在满足应用要求的前提下，应尽量节省使用节点的能量。

2）可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。

3）网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量及带宽利用率等。

在上述的三个方面中，普遍认为重要性依次递减。由于现在传感器节点的能量供应问题没有得到很好解决，传感器节点本身不能自动补充能量或能量补充不足，节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。在传统网络中，节点能够连续地获得能量供应，如在办公室有稳定的电网供电；或者可以间断但及时地补充能量，如笔记本计算机和手机等。其整个网络的拓扑结构相对稳定，网络的变化范围和变化频率都比较小。因此，传统网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性、提高带宽的利用率及增加网络的实时性。由此可见，传感器网络的MAC协议与传统网络的MAC协议所注重的因素正好反序，这意味着传统网络的MAC协议不适用于传感器网络，需要研究和提出新的适用于传感器网络的MAC协议。在无线传感器网络中，人们经过大量实验和理论分析，总结出可能造成网络能量浪费的主要原因包括如下几方面：

1）如果MAC协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。这就需要重传发送的数据，从而消耗了节点更多的能量。

2）节点接收并处理不必要的数据。这种串音（over hearing）现象造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。

3）节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听（idle listening），以便接收可能传输给自己的数据。这种过度的空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。

4）在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量。

传感器节点无线通信模块的状态包括发送状态、接收状态、侦听状态和睡眠状态等。单位时间内消耗的能量按照上述顺序依次减少：无线通信模块在发送状态消耗能量最多，在睡眠状态消耗能量最少，接收状态和侦听状态下的能量消耗稍小于发送状态。基于上述原因，传感器网络MAC协议为了减少能量的消耗，通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道使用策略。当有数据收发时，节点就开启无线通信模块进行发送或侦听；如果没有数据需要收发，节点就控制无线通信模块进入睡眠状态，从而减少空闲侦听造成的能量消耗。为了使节点在无线模块睡眠时不错过发送给它的数据，或减少节点的过度侦听，邻居节点间需要协调侦听和睡眠的周期，同时睡眠或唤醒。如果采用基于竞争方式的MAC协议，就要考虑尽量减少发送数据碰撞的概率，根据信道使用的信息调整发送的时机。当然，MAC协议应该简单高效，避免协议本身开销大、消耗过多的能量。(www.xing528.com)

目前，针对不同的传感器网络应用，研究人员从不同方面提出了多个MAC协议，但对传感器网络MAC协议还缺乏一个统一的分类方式。可以按照下列条件分类MAC协议：

第一，采用分布式控制还是集中控制；

第二，使用单一共享信道还是多个信道；

第三，采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。

按照第三种分类方法，将传感器网络的MAC协议分为以下三类：

1）采用无线信道的时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方式，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。

2）采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，重点考虑尽量减少节点间的干扰；

3）其他MAC协议，如通过采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道的分配。

基于竞争的随机访问MAC协议采用按需使用信道的方式。它的基本思想是，当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）。无线局域网IEEE 802.11 MAC协议的分布式协调（Distributed Coordination Function，DCF）工作模式采用带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA with Collision Avoidance，CSMA-CA）协议，它可以作为基于竞争MAC协议的代表。

TDMA是实现信道分配的简单成熟的机制，蓝牙（Bluetooth）网络采用了基于TDMA的MAC协议。在传感器网络中采用TDMA机制，就是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时槽，而节点在其他空闲时槽内转入睡眠状态。TDMA机制的一些特点非常适合传感器网络节省能量的需求：TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输时不需要过多的控制信息；节点在空闲时槽能够及时进入睡眠状态。TDMA机制需要节点之间比较严格的时间同步。TDMA机制在网络扩展性方面存在不足：很难调整时间帧的长度和时槽的分配；对于传感器网络的节点移动、节点失效等动态拓扑结构适应性较差；对于节点发送数据量的变化也不敏感。